銀東直流逆變站換相失敗后對送端系統的影響及仿真分析

王華偉，李新年，雷霄，林少伯

(中國電力科學研究院，北京市100192)

銀東直流逆變站換相失敗后對送端系統的影響及仿真分析

王華偉，李新年，雷霄，林少伯

(中國電力科學研究院，北京市100192)

高壓直流輸電系統受端換相失敗時，整流側換流器短時間內會從送端交流系統吸收大量無功功率，在送端交流系統較弱或其他不利條件下可能產生電壓不穩定或保護誤動作等問題。以銀東直流工程為例，分析了受端換相失敗后直流系統的響應特性，研究了直流逆變站換相失敗導致的送、受端交流系統故障耦合機理，并通過仿真給出了弱送端系統條件下的電壓波動情況，結論對直流工程建設調試和交流電網調度運行具有重要的指導意義。

高壓直流輸電；送端系統；換流器；換相失敗

0 引 言

直流輸電系統具有輸送容量大、快速可控、有效限制短路電流等特點，因此在電力系統中得到了廣泛應用[1]，但其在向交流系統提供電力的同時，也帶來交直流相互作用、相互影響的問題[2]，其中，直流換相失敗導致的問題較多，嚴重時甚至危及交直流系統的安全穩定運行，因此需要引起更多的重視和研究[3-10]。

換相失敗作為直流系統運行中常見的故障現象，其對交流系統的影響主要是發生故障后有功功率缺額和消耗無功功率的變化對交流系統的沖擊。已有文獻對換相失敗對受端系統特別是多饋入受端系統的影響研究較多[11-18]，但是近幾年在工程運行中逐漸發現，直流系統在運行中并不能完全隔離兩端的交流系統，在直流容量或饋入比逐漸提高后，換相失敗等問題不僅對受端系統安全穩定影響較大，也會通過直流系統影響到送端系統的運行，在送出交流系統較弱或其他不利條件下可能產生電壓不穩定或保護誤動作等問題。

銀川東—膠東±660 kV直流輸電示范工程是繼±500 kV直流輸電工程后輸送容量首次達到4 000 MW，換流站配置的無功補償設備容量達1 950 Mvar，在運行初期寧夏電網相對薄弱的情況下，出現了因受端換相失敗引起的送端電壓較大波動，首次表現出了因直流受端故障導致的送受端耦合的現象和特征。本文將分析換相失敗時整流器的響應過程和無功功率變化，揭示直流系統送、受端故障耦合機理和因控制作用導致的發展過程，并仿真研究對送端系統的影響，為實際工程調度運行提供指導建議。

1 銀東直流工程概況

銀東直流工程是我國±660 kV直流電壓等級序列的第一回直流工程，也是目前我國超高壓直流輸電的最高電壓工程，該工程是國家實施“西電東送”的重要輸電通道項目，將黃河上游水電和銀川東火電打捆直送山東，對于促進西部地區經濟社會發展，滿足山東省用電需求有重要作用。

銀東直流工程線路長度約為1 335 km，主回路結構為單極單12脈動換流器，平波電抗器分別布置于極線和中性母線，每端換流站都設置接地極。正送額定功率4 000 MW，方向為銀川東站至膠東站，反送額定功率3 600 MW。銀川東換流站的直流額定運行電壓為±660 kV，定義為平波電抗器出線側直流極母線與直流中性點的電壓；在功率反送3 600 MW時，膠東換流站的運行電壓為±637.0 kV。直流系統額定參數見表1。

表1 功率正送直流系統額定參數Table 1 Rated parameters of DC system for positive direction transmission power

2 膠東站換相失敗對銀川東側的影響過程分析

2011年5月8日6:10，7:53，8:26膠東站分別發生了3次換相失敗，原因為大雨導致膠東站遠端500 kV分別發生了線路、母線和變壓器故障，引起膠東站換流母線交流電壓畸變或下降。發生故障時直流運行方式為雙極大地回線正常運行，輸送功率為4 000 MW。由于直流發生換相失敗及故障后恢復過程基本相同，下面以7:53交流故障為例進行分析。

圖1、2分別給出了膠東站遠端500 kV交流故障時銀東直流系統故障錄波?？梢钥闯?，交流故障期間膠東站換流母線電壓跌落并畸變，逆變器發生換相失敗，直流電流迅速上升，銀川東站迅速增大觸發角以抑制直流電流增加，整個過程中銀川東站直流電壓最低至-193 kV，直流電流最大升至6 548 A，觸發角最大到87.6°，此時銀川東換流器消耗無功功率也大幅增加，換流變壓器進線無功功率由2 135 Mvar短時上升至5 664 Mvar，從而導致銀川東換流站換流母線電壓下降，持續時間約70 ms，最低降至0.82 pu。

膠東站換相失敗結束后，觸發角逐漸減小以使直流系統恢復穩態運行，此時銀川東站換流器消耗無功功率較小，但交流濾波器(額定功率下共13組)仍處于正常運行狀態，向交流系統送出大量無功功率，導致換流母線電壓上升，最高升至1.17 pu。交流故障清除后，直流系統恢復穩態運行，從故障清除到直流功率恢復到故障前90%的時間約為150 ms。

圖1 膠東站換相失敗時銀川東站直流系統波形Fig.1 Waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

3 仿真研究

為深入分析膠東站發生換相失敗時銀川東站換流變壓器進線無功功率的變化和換流母線電壓的跌落情況，了解和掌握直流系統發生換相失敗對銀川東站的影響，在冬小方式和弱系統運行方式下進行了膠東站出線單相、三相故障及三相故障單相開關拒動時的仿真。

3.1 換相失敗故障仿真再現

圖2 膠東站換相失敗時膠東站直流系統波形Fig.2 Waveforms of Jiaodong converter station with commutation failure

根據寧夏省調提供的冬小方式數據(以下簡稱冬小方式)，對交流系統進行等值后建立仿真模型，在膠東站500 kV遠端線路模擬B相接地故障，圖3、4分別給出了銀川東站和膠東站的仿真波形。從仿真波形上看，膠東站發生交流故障后換流母線瞬時下降并發生畸變，引起直流系統發生換相失敗，整流站直流電壓降至-192 kV，直流電流最大升至6 401 A，觸發角最大移至91.4°，換流變壓器進線無功功率由2 052 Mvar短時上升至5 692 Mvar，增量為3 640 Mvar，引起銀川東換流站換流母線電壓下降，持續時間約70 ms，最低降至0.812 pu(268 kV)，仿真計算結果和現場實測波形基本一致，驗證了仿真模型的準確性。

3.2 冬小方式下的仿真

冬小方式下，在膠東站出口模擬B相接地故障，故障持續時間100 ms?？紤]到不同時刻交流單相故障會導致直流發生換相失敗的情況有所不同，仿真中在一個周波內每隔1 ms計算1次，表2給出了仿真結果。故障前穩態值分別為QT1＝1 066 Mvar，QT2＝990 Mvar，Qexp＝11 Mvar，Uac＝353 kV，Id＝3 080 A，可以看出，直流電流受故障發生時刻影響較大，最小值為6 315 A，最大為7 033 A，其他參數在1個周波內數值變化不大。故障過程中換流變壓器進線無功功率最大升至5 734 Mvar，變化量為3 678 Mvar，與交流系統交換的無功功率最大升至4 414 Mvar，變化量為4 403 Mvar(短時需要寧夏電網提供4 403 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.748 pu(247 kV)，直流電流最大升至7 033 A，變化量為3 953 A。從圖5的仿真波形上看，雖然換相失敗期間銀川東站換流變壓器進線無功功率需求大幅上升，引起換流母線電壓下降較多，但是持續時間較短，一般不超過100 ms。在故障清除后，交直流系統均能恢復穩態運行。與膠東站遠端交流單相接地故障相比，膠東站出口發生交流接地故障后銀川東站換流變壓器進線無功功率變化量略有增加，換流母線電壓下降幅度更大。

圖3 膠東站換相失敗銀川東側直流系統仿真波形Fig.3 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during Jiaodong converter station having commutation failure

膠東站出口三相接地故障試驗仿真結果見表3，可以看出，故障過程中換流變壓器進線無功功率最大升至5 705 Mvar，變化量為3 649 Mvar，與交流系統交換的無功功率最大升至4 413 Mvar，變化量為4 402 Mvar(短時需要寧夏電網提供4 402 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.742 pu(245 kV)，直流電流最大升至6 971 A，變化量為3 891 A。與膠東站近端交流單相接地故障相比，換流變壓器進線無功功率變化、與系統交換無功功率以及換流母線電壓變化都基本相同，原因是膠東站出口發生三相故障時，引起膠東站換流母線三相電壓均發生跌落，導致所有導通的換流閥均發生換相失敗，因此換相失敗受故障時刻影響不大。

3.3 弱系統運行方式下的仿真計算

圖5 冬小方式下膠東站出口單相接地故障銀川東側仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station under winter small mode

考慮到寧夏電網運行方式調整和交流線路停電檢修等原因，在仿真中模擬了送端交流系統強度減弱的情況(銀川東站換流母線短路電流為26 kA)，以下簡稱弱系統運行方式。在此基礎上進行膠東站出口單相接地故障仿真，故障過程中換流變壓器進線無功功率最大升至5 284 Mvar，變化量為3 166 Mvar，與交流系統交換的無功功率最大升至4 153 Mvar，變化量為3 963 Mvar(需要寧夏電網短時提供3 963 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.67 pu(221 kV)，直流電流最大升至6 759 A，變化量為3 741 A。從大量仿真波形上可以看出，雖然換相失敗期間銀川東站換流變壓器進線無功功率需求大幅上升引起換流母線電壓的下降較多，但是持續時間較短，一般不超過100 ms。與冬小方式相比，換相失敗期間銀川東站換流變壓器進線無功功率變化量減少500 Mvar，但由于銀川東交流系統強度減弱，其換流母線下降幅度更大。

此外膠東站出口的三相接地故障仿真計算結果表明，故障過程中換流變壓器進線無功功率最大升至5 281 Mvar，變化量為3 163 Mvar，與交流系統交換的無功功率最大升至4 162 Mvar，變化量為3 972 Mvar (需要寧夏電網短時提供3 972 Mvar無功功率)，換流母線電壓最低降至0.658 pu(217 kV)，變化量為123 kV，直流電流最大升至6 587 A，變化量為3 569 A。從圖6給出的仿真波形上看，故障持續時間較短，一般不超過100 ms。在故障清除后，交直流系統均能恢復穩態運行。與冬小運行方式相比，換流器消耗的無功功率減小了約4 80 Mvar，但換流母線電壓下降得更多，最低至0.658 pu。

表2 膠東站出口單相接地故障時銀川東站仿真結果統計Table 2 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during single-phase grounding fault at output side of Jiaodong converter station

表3 膠東站出口三相接地故障時銀川東站仿真結果統計Table 3 Simulation result statistics of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station

圖6 弱系統運行方式下膠東站出口三相接地故障銀川東側仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of Yinchuandong converter station during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with weak AC system

為掌握膠東站出線發生嚴重故障時的情況，進行了膠東站出線三相故障單相開關拒動仿真，故障時序為交流線路一端發生三相永久故障，100 ms后跳開故障線路故障側的B、C兩相和對側的三相斷路器，故障側的A相開關拒動，故障后350 ms由失靈保護跳開拒動相。圖7給出了仿真波形，從波形上看，在故障后100 ms內與圖6發生三相故障時基本相同(在此期間換流母線電壓低于0.8 pu的時間為40 ms，最低降至0.67 pu)，在B、C相開關跳開后，直流電流逐漸上升，試圖恢復到穩態運行，此時Y橋開始恢復換相(D橋仍在發生換相失敗)，如圖8所示。但由于A相故障仍存在，在直流上升過程中，Y橋再次發生換相失敗，直流電流最大上升至4 493 A，換流變壓器進線無功功率最大升至4 917 Mvar，換流站與系統交換的無功功率最大為3 635 Mvar。此次換相失敗期間銀川東站換流變壓器進線無功功率最大值比在三相故障初期發生換相失敗時的要小，換流母線電壓最低至0.80 pu(0.80×330 kV＝264 kV)。盡管在A相開關跳開前逆變器發生間歇性換相失敗，但在A相故障清除后，交直流系統均能快速恢復。

圖7 弱系統運行方式下膠東站出線三相故障單相開關拒動時銀川東側仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of Yinchuandong side during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

圖8 弱系統運行方式下膠東站出線三相故障單相開關拒動時膠東側仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of Jiaodong during three-phases grounding fault at output side of Jiaodong converter station with switch rejecting act in weak AC system

4 結 論

(1)直流系統逆變站發生換相失敗時，直流電流迅速上升，整流站則迅速增大觸發角以抑制直流電流增加；由于直流電流和觸發角的增大引起送端換流站消耗的無功功率大幅增加，從而導致換流站換流母線電壓降低，若換相失敗能夠正?；謴?，送端站換流母線低電壓持續時間一般不超過100 ms。

(2)換相失敗恢復過程中，在控制器調節作用下觸發角逐漸減小，此時直流電流較小，送端換流器消耗無功功率較小，但大量交流濾波器仍處于正常運行狀態，導致送端站換流母線電壓上升，出現由交流故障引起的直流送受端系統故障耦合現象。

(3)仿真表明，送端交流系統越弱，受端換相失敗引起的電壓下降幅度越大；銀東直流送端系統冬小方式下最低為0.74 pu，極弱系統條件下可達0.66 pu。

(4)受端單相交流故障引起直流系統換相失敗，直流電流過沖受故障發生時刻影響較大，銀東直流送端系統冬小方式下最小值為6 315 A，最大為7 033 A，受端發生三相故障時，由于所有導通的換流閥均發生換相失敗，因此引起的電流過沖、無功功率變化量等受故障時刻影響不大。

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(編輯：張小飛)

Influence of Commutation Failure on Transmitter System in Yindong DC Inverter Station and Its Simulation Analysis

WANG Huawei，LI Xinnian，LEI Xiao，LIN Shaobo
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

During receiver commutation failure of HVDC transmission system，more reactive power were absorbed in a short time by rectifier converters from transmitter system，and the voltage stability or protection misoperation might appear in weak transmitter system or other disadvantage conditions.Taking Yindong HVDC transmission project as example，this paper analyzed the response characteristics of DC system after receiver commutation failure，studied the fault coupling mechanism of transmitter system and receiver system caused by the commutation failure of inverter station，and presented the reasons and phenomenon of voltage fluctuation in condition of weak transmitter system through simulation.The conclusions have important guiding significance to the commissioning of DC transmission project and the dispatching operation of AC grid.

HVDC transmission system；transmitter system；converter；commutation failure

TM 743

A

1000-7229(2015)11-0115-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.018

2015-06-28

2015-08-10

王華偉(1971)男，碩士，高級工程師，從事直流輸電系統仿真和電磁暫態方面的研究工作；

李新年(1977)男，碩士，高級工程師，從事直流輸電系統仿真和電磁暫態方面的研究工作；

雷霄(1982)男，碩士，高級工程師，從事直流輸電系統仿真和控制保護建模方面的研究工作；

林少伯(1984)，男，博士，工程師，從事直流輸電系統仿真研究和工程系統調試方面的工作。